1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Приборы и техника эксперимента
  4. № 3, 2023

Приборы и техника эксперимента, 2023, № 3, стр. 17-22

ПРЕЦИЗИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ДЕТЕКТОРОВ ЯДЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА СТАНДАРТНОМ ПРОМЫШЛЕННОМ ТРАНСФОРМАТОРЕ

А. Г. Артюх a, Г. А. Кононенко a, *, А. В. Саламатин a, Ю. М. Середа a

a Объединенный институт ядерных исследований
141980 Дубна, Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6, Россия

* E-mail: Kononenko@jinr.ru

Поступила в редакцию 22.08.2022
После доработки 31.08.2022
Принята к публикации 17.10.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Разработаны прецизионные источники высокого напряжения для детекторов ядерного излучения (полупроводниковых детекторов, на основе фотоэлектронных умножителей и пр.). Вместо специализированного высоковольтного трансформатора использован распространенный сетевой (~220 В) трансформатор POL-12012 совместно с умножителем напряжения. Электрические параметры блоков: диапазон – от 0 до ±2500 В; мощность ≤10 Вт; КПД – до 77%; пульсации при нагрузке 2 MОм (2 кВ) – 1 мВ; частота преобразования – до 150 кГц; управление ручное/внешнее; плавный рост/спад напряжения; отключение при перегрузке; температурный дрейф ≤0.004%/°С; рабочая температура – от –40 до +60°С. Исполнение: евромеханика 3U или автономный блок 80 × 80 × 40 мм. Источники используются в ряде экспериментов и промышленных установках, где обеспечивают качество, надежность, температурный диапазон и необходимый функционал.

ВВЕДЕНИЕ

Источники высокого напряжения (ИВН) являются естественными элементами измерительных установок экспериментальной ядерной физики. Как правило, они используются для питания разнообразных детекторов радиоактивного излучения [1–5]. В экспериментах, в зависимости от решаемой задачи, количество детекторов может сильно различаться (от единиц до нескольких тысяч) [6]. В большинстве случаев потребности в ИВН удовлетворяются фирменными предложениями (https://www.ortec-online.com; ntnk.ru; canberra.ru; www.caen.it). Тем не менее, часто возникает необходимость в индивидуальном изготовлении ИВН при создании ядерно-физических установок [1] или специализированных приборных комплексов прикладного характера [2–4], особенно портативного типа [5]. Разработки направлены на удовлетворение специальных требований к уровню шумов и пульсаций выходного напряжения или температурной и временной нестабильности, к величине электромагнитных наводок, к возможности плавного подъема и снижения напряжения, к повышению КПД, а также к конструкционному исполнению прибора, его габаритам и массе.

Высоковольтные источники индивидуальной разработки выполняются, как правило, по типу DC-DC-преобразователей [7], и можно выделить три основных варианта формирования в них высокого напряжения.

1. Применение специальной высоковольтной сборки. Данный подход предполагает использование уже готовых ИВН в виде модулей, которые производят ряд фирм (www.tracopower.com, www.emcohighvoltage.com, mantigora.ru, www.spellmanhv.com). Однако для получения качественных характеристик ИВН модули приходится дополнять необходимыми элементами с целью улучшения параметров выходного напряжения (уменьшения пульсаций и шумов, повышения стабильности [8]); расширять их функциональные возможности (модули рассчитаны, как правило, на одну полярность выходного напряжения). Также рассмотренные устройства не обслуживаются, не ремонтно-пригодны, не всегда доступны при замене и в приобретении.

2. Использование высоковольтного трансформатора. Подходящее промышленное изделие (ТВС-70П1 [9]) уже не производится и замены ему практически нет. Но даже специальная конструкция [10] и тщательное изготовление трансформатора не снижают его общую емкость и индуктивность рассеяния, что ограничивает частоту преобразования DC-DC-конвертора диапазоном 20–30 кГц [9, 10].

3. Применение двухступенчатой схемы получения высокого напряжения, состоящей из повышающего трансформатора (с выходным напряжением 300–500 В) совместно с емкостно-диодной системой умножения напряжения [11]. Здесь трансформатор работает при более низком выходном напряжении, и коэффициент трансформации небольшой. Общая емкость и индуктивность рассеяния такого трансформатора в разы меньше, чем у высоковольтного, и рабочая частота может быть гораздо выше при тех же потерях при преобразовании. Это позволяет получить высокие технические характеристики устройства и существенно уменьшить габариты трансформатора и фильтра. Однако качественно изготовить трансформатор небольших размеров возможно лишь на специализированном оборудовании, поэтому лучше использовать повышающий трансформатор промышленного производства.

В настоящей работе предлагается простое решение – использование готовых импульсных понижающих трансформаторов от AC-DC-источников питания при индивидуальной разработке регулируемых высоковольтных блоков питания небольшой мощности. К таким трансформаторам относится, например, трансформатор POL-12012 фирмы PremierMagnetics, имеющий отечественный аналог KST-POL-12012 [12]. Трансформатор предназначен для 15-ваттного импульсного обратноходового AC-DC-преобразователя, в котором входное переменное напряжение электросети (85–265 В) преобразуется в 12 В на выходе. Его первичная обмотка рассчитана на выпрямленное AC-напряжение, число витков в ней в несколько раз большее, чем во вторичной [12]. Если вторичную обмотку подключить на входе DC-DC-преобразователя, а первичную использовать как выходную, то такой трансформатор можно использовать как повышающий.

ИСТОЧНИК ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ТРАНСФОРМАТОРОМ POL-12012 (KST-POL-12012)

Блок-схема высоковольтного источника напряжения приведена на рис. 1. Она представляет собой обратноходовую схему, в которой постоянное входное напряжение +12 В преобразуется в стабилизированное выходное с регулировкой от 0 до ±2500 кВ.

Рис. 1.

Блок-схема источника высокого напряжения. Тр1 – POL12012 (KST-POL-12012); Т1 – IRF540N; С2−С4 – 3 × × 3.3 нФ, 3 кВ; R1= R2 = 11 кОм; R3 = 1 кОм; Rfb = 40 MОм.

Схема состоит из трансформатора POL-12012 (KST-POL-12012), соединенного с шестикаскадной емкостно-диодной системой умножения для однополярной последовательности импульсов (умножитель напряжения собран на элементах поверхностного монтажа: диоды US1M, конденсаторы 100 нФ, 1 кВ), выходного RC-фильтра (R1, R2; C2–C4) и схемы управления с мощным полевым МОП (металл–оксид–полупроводник) транзистором Т1 (инвертор), рассчитанным на напряжение стока до 100 В. Вторичная обмотка (согласно паспорту [12]) выполнена в тройной изоляции. Одним выводом она подключена к стоку транзистора Т1, а на второй – подается напряжение +12 В. В качестве выходной используется обмотка с выводами 1 и 2, имеющая наибольшее число витков. Между обмотками проложен двойной слой изоляции, обеспечивающий гальваническую развязку до 3000 В [12]. Число витков первичной обмотки больше, чем вторичной, в 7.71 раза [12]. Небольшая величина соотношения витков обмоток компенсируется умножителем напряжения и свойством обратноходового преобразователя повышать импульсное напряжение на инверторе во время обратного хода по отношению к напряжению питания (12 В) в несколько раз. В результате на выходной обмотке трансформатора формируется во столько же раз более высокий импульс напряжения, что позволяет снизить количество каскадов умножения. Их число выбирается в зависимости от необходимого максимального выходного напряжения. Так, шесть каскадов умножения вполне обеспечивают выходное напряжение 2500 В при токе нагрузки 2 мА для указанных на рис. 1 параметров фильтра. Напряжение на стоке инвертора при этом не превышает 60 В.

Для удобной смены полярности выходного напряжения умножитель выполнен в виде съемной кассеты из двух плат одинаковых размеров 21 × × 90 мм. На первой собран умножитель, а на второй установлены угловые штыревые разъемы (на рис. 1 они указаны как переключатели S1–S3). Платы совмещены плоскостями с зазором между ними на толщину угловых разъемов. Отводы от разъемов соединены жесткими проволочными перемычками с платой умножителя в соответствии с рис. 1. Для удобства перевода умножителя на обратную полярность конденсатор С1 размещен отдельно на основной плате. Для положительной полярности кассета вставляется в ответные разъемы на основной плате высоковольтного блока в одном положении, а для отрицательной полярности кассету необходимо вставить в эти же разъемы с поворотом на 180°. Положительное выходное напряжение через разъем S2 или отрицательное – через S3 (согласно рис. 1) поступает на вход RC-фильтра и через резистор R3 – на выходной разъем блока. Через сопротивление обратной связи Rfb и переключатель S4 (в виде переставляемой перемычки) это же напряжение подается на вход схемы управления. Схема содержит узел формирования напряжения обратной связи и контроля выходного напряжения, микроконтроллер с широтно-импульсным преобразованием (TL494 [13]) и буферный усилитель мощности, который соединяет выход микроконтроллера с затвором транзистора Т1. Назначение переключателя S4 состоит в обеспечении постоянной полярности сигнала обратной связи на входе микроконтроллера независимо от полярности напряжения на выходе умножителя. Узел формирования вырабатывает на своем выходе сигнал, пропорциональный высоковольтному напряжению с коэффициентом деления 1: 1000. Далее этот сигнал разветвляется и через ограничивающие резисторы поступает на неинвертирующий вход усилителя ошибки микроконтроллера и на разъем для контроля выходного напряжения. Схема включения контроллера TL494 соответствует техническому паспорту [13].

Трансформатор POL-12012(KST-POL-12012) предназначен для работы с ШИМ (широтно-импульсная модуляция) контроллером в трехвыводном корпусе TOP202YAL с замкнутой архитектурой и фиксированной частотой преобразования 100 кГц [13].

Мы рассмотрели зависимость эффективности работы источника питания от частоты преобразования до 150 кГц и нагрузки от 0 до 10 Вт. Собственная мощность потребления блоком в отсутствие нагрузки при Uвых = 2 кВ возрастает от 0.7 Вт для 80 кГц до 0.9 Вт для 150 кГц. Максимальная выходная мощность источника составляет 10 Вт (нагрузка 400 кОм, Uвых = 2 кВ). При частоте преобразования 150 кГц пульсации и шум не превышают 1 мВ для нагрузки 2 Вт (Uвых = 2 кВ) и менее 4 мВ для нагрузки 10 Вт (рис. 2). При максимальной мощности потребления КПД прибора достигает 75% для частоты преобразования 150 кГц и 77% для частоты 100 кГц.

Рис. 2.

Напряжение на стоке транзистора IRF540N (верхние графики) и пульсации выходного напряжения 2 кВ (нижние графики): а – нагрузка 2 МОм, частота150 кГц; б – нагрузка 400 кОм, частота 150 кГц.

На рис. 2 приведены осциллограммы пульсаций выходного напряжения (нижние графики) с фильтром в соответствии с рис. 1 для частоты преобразования 150 кГц и двух значений мощности потребления: 2 кВ × 1 мА (рис. 2а) и 2 кВ × × 5 мА (рис. 2б). Также на рисунке приведены осциллограммы напряжений на стоке транзистора Т1 (IRF540N) высоковольтного блока (верхние графики). Максимальное значение амплитуды импульса напряжения при обратном ходе преобразователя, согласно рис. 2, не превышает 50 В для напряжения на выходе блока 2 кВ. Измерение пульсаций выполнено на осциллографе TDS2004. Сигнал снимался с резистора сопротивлением 10 кОм, который подключался к основной нагрузке через высоковольтную емкость 3300 пФ. Резистор был зашунтирован встречно включенными диодами US1M.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе распространенных электронных элементов для использования в экспериментальных установках [1, 2, 5, 14, 15] были разработаны прецизионные высоковольтные источники питания для фотоумножителей и полупроводниковых детекторов ядерного излучения. Блоки представляют собой обратноходовые DC-DC-преобразователи. Основным элементом схемы является силовой узел, который построен на основе доступного и недорогого трансформатора POL-12012 c емкостно-диодным умножителем напряжения. Частота работы преобразователей до 150 кГц. Такая схема обеспечила напряжение на выходе до 2500 В, низкие пульсации с незначительным шумом и высокий КПД приборов, до 77%.

Конструктивно источники питания изготовлены в двух вариантах. В виде модулей-кассет закрытого типа системы Евромеханика (3U) для установок, описанных в статьях [1, 2, 14, 15], и в виде автономного модуля размерами 80 × 80 × 40 мм для установки, описанной в статье [5]. Регулировка выходного напряжения осуществляется или внутренним многооборотным потенциометром, или внешним сигналом через разъем на передней панели. Напряжение питания блоков 12 В (11–24 В).

На рис. 3а представлена фотография крейта спектрометра ВУК (возмущенных угловых γγ-корреляций) [1] с установленными в нем четырьмя источниками высокого напряжения БВН-2 кВ для питания ФЭУ. В спектрометре ВУК [1, 14] используются четыре современных высокоточных и быстродействующих сцинтилляционных детектора с кристаллами LaBr3 с энергетическим разрешением <3% по 137Cs и временным <400 пс по 60Co. Загрузка на каждом детекторе достигает 50–60 тысяч/с, обычное время экспозиции 2–3 сут. В крейте также расположен блок 8-канального цифрового процессора сигналов (14 бит, 250 МГц) и блок контроллера крейта с процессором Linux. Они обеспечивают регистрацию сигналов ФЭУ, управление и мониторинг выходного напряжения высоковольтных блоков. Разработанные источники высокого напряжения эксплуатируются в спектрометре на протяжении нескольких лет, они показали свою надежность, стабильность и обеспечили необходимую точность измерений [14]. Аналогичные блоки использовались для двух сцинтилляционных детекторов с кристаллами BGO в установке [5].

Рис. 3.

Высоковольтные блоки: а – блоки питания фотоумножителей (БВН-2 кВ) в крейте управления установки ВУК; б – автономный высоковольтный модуль (БПФ-2 кВ × 1 мA); в – блок питания кремниевых полупроводниковых детекторов (БПД-500 В).

В корпусе Евромеханика (3U) для кремниевых детекторов фрагмент-сепаратора КОМБАС [15], а также для многоканальных кремниевых детекторов, встроенных в капсулу нейтронного генератора, установок с использованием метода меченых нейтронов [2, 5] были разработаны блоки питания с регулируемым напряжением от 0 до ±500 В и максимальным током 1 мА (БПД-500 В, см. рис. 3в).

Для сцинтилляционного детектора инспекционного модуля [5] был разработан источник питания в виде автономного модуля, см. рис. 3б. Работа источников питания для сцинтилляционного и кремниевого детекторов проходила в более неблагоприятных условиях замкнутого объема 740 × 510 × 410 мм. Детекторы совместно с блоками питания работали при высоких радиационных активностях и температуре порядка 50°С. Источники питания также показали свою надежность и стабильность.

Основные характеристики блоков приведены в табл. 1.

Таблица 1.
Тип блока Uвых, В Pmax, Вт Ток срабатывания защиты, мА Мощность в нагрузке
UнIн, кВ мА 		Пульсации выходного напряжения пик-пик
∆Up-p, мВ 		Частота пре-образования F, кГц
БВН-2 кВ ±(600–2000) 10 1500* 1.5 × 1 <1 150
2 × 1 1
2 × 5 <4
БПФ-2 кВ ±(600–2000) 2 1500* 2 × 1 <1 150
БПД-500 В 0 ± 500 0.5 1500* 0.5 × 1 <1 100
(0.01–1)**

* Ток срабатывания защиты по питанию; **по нагрузке.

Список литературы

  1. Brudanin V.B., Tsvyashchenko A.V., Salamatin A.V., Kochetov O.I., Velichkov A., Fomicheva L.N., Budzinski M., Wiertel M., Sorokin A.A., Ryasniy G.K., Komissarova B.A., Milanov M. // Nucl. Instrum. and Methods in Physics Research A. 2005. V. 547. P. 389. https://doi.org/10.1016/j.nima.2005.04.002

  2. Быстрицкий В.М., Замятин Н.И., Зубарев Е.В., Рапацкий В.Л., Рогов Ю.Н., Романов И.В., Садовский А.Б., Саламатин А.В., Сапожников М.Г., Сафонов М.В., Слепнев В.М., Филиппов А.В. // Письма в ЭЧАЯ. 2013. Т. 10. № 5 (182). С. 722.

  3. Тетерев Ю.Г., Гикал Б.Н., Иванов О.И., Кононенко Г.А., Миронов В.И. // ПТЭ. 2009. № 2. С. 9.

  4. Тетерев Ю.Г., Кононенко Г.А. // ПТЭ. 2011. № 4. С. 148.

  5. Aleksakhin V.Yu., Bystritskii V.M., Zamyatin N.I., Zu-barev E.V., Krasnoperov A.V., Rapatskii V.L., Rogachev A.V., Rogov Yu.N., Sadovskii A.B., Salamatin A.V., Sapozhnikov M.G., Slepnev V.M. // Physics of Particles and Nuclei Letters. 2013. V. 10. Iss. 7. P. 860. https://doi.org/10.1134/S154747711401004X

  6. Акимов Ю.К. Фотонные методы регистрации излучений. Дубна: ОИЯИ, 2006.

  7. Мэк Р. Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению. М.: Додэка-XXI, 2008.

  8. Григорьев А.В., Храпко А.Н. // Труды международной конференции “Современные проблемы оптики естественных водˮ. Т. 8. М.: Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, 2015. С. 259–262.

  9. Черепин В.Т., Красовский Т.А., Василенко В.И., Твердохлеб А.Ф. // ПТЭ. 2014. № 2. С. 57. https://doi.org/10.7868/S0032816214020050

  10. Трубицын А.А., Грачев Е.Ю., Морозов Д.А., Полонский Б.А., Серебряков А.Е. // ПТЭ. 2019. № 5. С. 52. https://doi.org/10.1134/S003281621904030X

  11. Tamuri A.R., Bidin N., Daud Y.M. // International Journal of Recent Research and Applied Studies (IJRRAS). 2010. V. 3. Iss. 2. P. 143.

  12. http://www.premiermag.com; https://kodo-trans.ru

  13. http://www.ti.com. TL494 Pulse-Width-Modulation Control Circuits. Texas Instruments Data Sheet, 2017.

  14. Salamatin D.A., Tsvyashchenko A.V., Salamatin A.V., Velichkov A., Magnitskaya M.V., Chtchelkatchev N.M., Sidorov V.A., Fomicheva L.N., Mikhin M.V., Kozin M.G., Nikolaev A.V., Romashkina I.L., Budzynski M. // Journal of Alloys and Compounds. 2021. V. 850. P. 156601. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.156601

  15. Кононенко Г.А., Артюх А.Г., Воронцов А.Н., Кислуха Д.А., Клыгин С.А., Ковтун В.Е., Осташко В.В., Павле-нко Ю.Н., Середа Ю.М., Эрдэмчимэг Б. // ПТЭ. 2015. № 3. С. 35. https://doi.org/10.7868/S0032816215020202

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Приборы и техника эксперимента

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал